Gasificación de biomasa: Estudios experimentales y teóricos en lecho fijo

Oportunidades

para la traNsformación de la biomasa forestal en energía y las posibilidades mediante procesos de gasificación

GASIFICACIÓN DE BIOMASA: Estudios experimentales y teóricos en lecho fijo

Juan Fernando Pérez Bayer

Grupo de manejo eficiente de la energía - GIMEL, Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia.

Seminario Internacional Transformación de la Biomasa Forestal en Energía. Cartago, Costa Rica, 2017

AGENDA 1. ¿Qué es la gasificación?.

2. ¿Por qué estudiamos gasificación en lecho fijo en el contexto Colombiano?.

3. Tecnologías de gasificación de biomasa.

4. ¿Qué y cómo hemos estudiado el proceso de gasificación?.

5. Caracterización físico-química de la biomasa como energético.

6. Estudios experimentales.

7. Estudios teóricos.

8. Trabajos actuales.

1. ÂżQuĂŠ es la gasificaciĂłn?

1. GasificaciĂłn: SĂłlido - Gas

đ??śđ??ť

đ?‘† + đ??ť2 + 2 + 3.

2 → đ??ś + đ??ś 2 + đ??śđ??ť4 + đ??ť2 + đ??ť2 + + đ??ť2 đ?‘† + đ??ś đ?‘† + đ??śâ„Ž đ?‘&#x; + đ?‘˘đ??ś6 đ??ť6

2

+

2

+ �

2

1. GasificaciĂłn: SĂłlido - Gas

1. ÂżQuĂŠ es la gasificaciĂłn?

đ??śđ??ť

đ?‘† + đ??ť2 + 2 + 3.

2 → đ??ś + đ??ś 2 + đ??śđ??ť4 + đ??ť2 + đ??ť2 + + đ??ś đ?‘† + đ??śâ„Ž đ?‘&#x; + đ?‘˘đ??ś6 đ??ť6

2

+

2

+ �

biomasa+aire

Bms hĂşmeda

CnOmHpNqSr Secado H2Olďƒ H2Ov

DevolatilizaciĂłn bmsďƒ gas+tar+char

OxidaciĂłn HC, C + O2ďƒ gases

ReducciĂłn C+gasesďƒ CO, H2, CH4 Gasificador de lecho fijo en equicorriente

2

+ đ??ť2 đ?‘†

2. ¿Por qué estudiamos gasificación en L. Fijo?

2. ¿Por qué gasificación en L.F.?

 600,000 ha cultivadas con especies forestales de rápido crecimiento (pinos y eucalyptus) 17 – 20 Mha de tierra con potencial para establecer cultivos forestales comerciales sin afectar la agricultura.

Oportunidad de empleo en el post-conflicto Colombiano.

52% Generación Diésel ZNI: 50 cUS$/kWeh Ley 1715 de 2014: Integrar las EERR no convencionales al Sistema Energético Nacional.

2. ¿Por qué gasificación en L.F.?

2. ¿Por qué estudiamos gasificación en L. Fijo?

3000 millones de personas dependen de cocinas a leña.

4 millones de personas mueren cada año.

Tomada de : AquaponicsUSA's Blog.

Lecho fijo

3. Tecnologías de gasificación

Tipo de gasificador

Contracorriente

Equicorriente

CFB

BFB

Lecho arrastrado

Características de la materia prima

Parámetros Tamaño de partícula Tolerancia a la Ceniza Contenido de humedad

Lecho fluidizado

<100 μm

5-100 mm

20-100 mm

0-20 mm

0-20 mm

Máx. 6%

Máx. 6%

Máx. 25%

Máx. 25%

Máx. 25%

Máx. 60%

Máx. 35%

------

------

------

Condiciones de operación Demanda de Oxigeno Demanda de Vapor Alimentación oxidante Temperatura Presión de operación Presión de alimentación Velocidad del gas Tiempo θ

Baja

Baja

Moderada

Moderada

Alta

Alta

Baja

Moderada

Moderada

Alta

Contracorriente

Equicorriente

800-1000 °C (Menos uniforme) Atmosférica

1000-1200 °C (Menos uniforme) Atmosférica 1-5 bar

900-1000 °C (Más uniforme) Atmosférica o presurizada 1-30 bar

1100-1500 °C

1-5 bar

750-950 °C (Más uniforme) Atmosférica o presurizada 1-20 bar

Baja

Baja

Mayor que BFB

Alta

Alta

Largo (15-30 min)

Largo (15-30 min)

Corto (5-50 s)

Corto (5-50 s)

Muy corto (1-10 s)

Atmosférica o presurizada 1-70 bar

Lecho fijo

3. Tecnologías de gasificación

Tipo de gasificador

Contracorriente

Lecho fluidizado Equicorriente

CFB

BFB

Lecho arrastrado

Características del producto Temperatura del gas HHV Contenido de Alquitranes

425-650 °C

425-650 °C

900-1050 °C

900-1050 °C

1250-1600 °C

5-6 MJ/Nm 3

5-6 MJ/Nm 3

5-6 MJ/Nm 3

5-6 MJ/Nm 3

3 5-10 MJ/Nm

Bajo 0.015-0.50 g/Nm3

Moderado <5 g/Nm 3

Moderado <5 g/Nm 3

Siempre libre de Alquitranes

Muy alto 0.015-5 g/Nm

3

Planta Relación de reducción Posibilidad de escalar el gasificador Capacidad térmica

5-10

3-4

3

3

------

Limitada

Limitada

Posible

Posible

Posible

< 10 MW

1kW-10MW

1-100 MW

1-25 MW

------

4. ¿Qué y cómo hemos estudiado la gasificación?

4. ¿Qué y cómo hemos estudiado el proceso de gasificación en L.F.?

Problemática Energética y ambiental

Recursos energéticos

Biomasa

Caracterización de la biomasa

Tecnologías de aprovechamiento energético mediante gasificación

Gasificación en lecho fijo en equicorriente

Diseño de plantas de gasificación

Experimentación, modelado y validación

Motores con gas

Modelos del proceso como herramientas computacionales

Costos de la generación de electricidad

CaracterizaciĂłn de la biomasa: Forma del combustible

Tanger P, et al. Biomass for thermochemical conversion: targets and challenges. Frontiers in Plant Science. 2013;4:218.

GeometrĂ­a real

Esfericidad â&#x20AC;&#x153;đ?&#x153;&#x201C;â&#x20AC;?

GeometrĂ­a aproximada

Cilindrio

Cilindro

Prisma cuadrado Prisma rectangular

3 2 1 2 +2

1/3 1

đ?&#x153;&#x201C;=

đ?&#x153;&#x201C;=

1 3

đ?&#x153;&#x2039;

2

100%

Astillas

Gua

80% TG (% wt.)

4. ÂżQuĂŠ y cĂłmo hemos estudiado la gasificaciĂłn?

4. ÂżQuĂŠ y cĂłmo hemos estudiado el proceso de gasificaciĂłn en L.F.?

Euc Nog

Prisma plano

Pat

60% 40%

AserrĂ­n

20% 0% 100

200

300 400 Temperature (ÂşC)

(a)

500

600

N/A

đ?&#x153;&#x201C;=

đ?&#x153;&#x2039;

2

2 1

2 1 3 3

6 (4

3

1=đ?&#x153;&#x2020; 1 3

(4

N/A

2 3

+2

1)

6đ?&#x153;&#x2020;

2 3 3

3

+ 2đ?&#x153;&#x2020;)

4. ¿Qué y cómo hemos estudiado la gasificación?

4. ¿Qué y cómo hemos estudiado el proceso de gasificación en L.F.?

Instalación experimental:

4. ¿Qué y cómo hemos estudiado la gasificación?

4. ¿Qué y cómo hemos estudiado el proceso de gasificación en L.F.?

Instalación experimental:

Instalación experimental:

Flujo de aire →

45

900

40

800

35

700

30

600

25

500 20

400

15

300

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

10

200

Flujo O2 →

100

0 0

200

400

600 Tiempo [s]

800

5

0 1000

Caudal [SLPM]

1000

Temperatura [°C]

4. ¿Qué y cómo hemos estudiado la gasificación?

4. ¿Qué y cómo hemos estudiado el proceso de gasificación en L.F.?

4. ¿Qué y cómo hemos estudiado la gasificación?

4. ¿Qué y cómo hemos estudiado el proceso de gasificación en L.F.?

Instalación experimental: en desarrollo (b)

(b) Q2

Q3 (c) (d)

T1

CH 4

CO

H2

T2

O2

N2

CO 2

T3 T4

(e)

(b)

0.000 kg

Q1

(a)

Estufa de cocción basada en micro-gasificación En fabricación.

(f)

4. ÂżQuĂŠ y cĂłmo hemos estudiado la gasificaciĂłn?

4. ÂżQuĂŠ y cĂłmo hemos estudiado el proceso de gasificaciĂłn en L.F.?

Modelado â&#x20AC;&#x201C; simulaciĂłn: đ??śđ??ť đ?&#x2018;&#x2020; + đ??ť2 + 2 + 3.

2 â&#x2020;&#x2019; đ??ś + đ??ś 2 + đ??śđ??ť4 + đ??ť2 + đ??ť2 + + đ??ś đ?&#x2018;&#x2020; + đ??śâ&#x201E;&#x17D; đ?&#x2018;&#x; + đ?&#x2018;˘đ??ś6 đ??ť6

2

+

2

+ đ?&#x2018;&#x2020;

2

*Tipo

+ đ??ť2 đ?&#x2018;&#x2020;

de biomasa Biomasa/Aire *Contenido de humedad *Herramienta de selecciĂłn de materias primas *Biomasa torrefactada *ProducciĂłn de biochar *RelaciĂłn

Tipo de biomasa TamaĂąo de partĂ­cula

Humedad Flujo de aire DiseĂąo del reactor Pellets *Costo

de la tecnologĂ­a global *Costo de la biomasa *Prefactibilidad *Eficiencia

5. Caracterización de la biomasa como energético

5. Caracterización de la biomasa

Leñas usadas para cocinar en algunas regiones de Colombia Sahagún Ciénaga de Oro Rionegro Sibundoy

1.8

1.2

10

Biomass FVI (MJ/cm3)

H:C ratio

Peat

1.0

Coal

0.8

Lignite

0.6

4500

FVI Energetic density

4000

3500

8

3000 2500

6

2000

4

1500

0.4 0.2

1000

2

Anthracite

0.0

500

0

0.0

0.2

0.4 O:C ratio

0.6

0.8

Nog Euc Firewood specie studied

10 Nog

Gua

80%

Nog Pat

60%

Pat

Gua

8

Euc

DTG (mass%/min)

TG (% wt.)

0

Gua

100%

Energetic density (MJ/m3)

1.4

5. Caracterizaciรณn de la biomasa

12

Gua Nog Euc Pat

1.6

40%

20% 0%

Pat

6

Euc

4 2 0

100

200

300 400 Temperature (ยบC)

500

600

100

200

300 400 Temperature (ยบC)

500

600

120

80

80

40

40

0

0 Gua

Nog

Euc

Pat

Cost of energy (c USD/kW-h)

Eq Vff (m3)

16

12 8

4 0 Natural gas

LPG

Kerosene

Firewood

Firewood specie sample

(a) Volume equivalent of fossil fuel by 1 m3 of biomass 400 350

300

CO2 (kg CO2)

5. Caracterizaciรณn de la biomasa

120

20

160

Natural gas LPG Kerosene

Eq Vff Kerosene (L)

160

250

(b) Cost of useful energy to cook

Gua Nog Euc Pat

200 150 100

50 0 LPG Kerosene Natural gas x10-1 Fosil fuels for cooking (c) CO2 retained by 1 m3 of biomass.

Referencia International J. of Chemical Engineering Volume 2017, Article ID 4531686, 13 pages

6.1 Instalación experimental Entradas

6. Estudios experimentales

Combustibles sólidos Tamaños de partícula Contenido de humedad Agente gasificante Velocidad Superficial

Geometría del gasificador y material de construcción

Frg-mbms [kg/h/m2]-Vap[m/min]-HR [ºC/s]-CR[%]- alquitranes (gr/m3N) Salidas Etapas del proceso – Campo de temperaturas – Tmax – Composición y PCIgp (kJ/m3N)

6.2 Estabilidad del proceso de gasificación con astillas – aserrín 6.3 Factor de empaquetamiento

6. Estudios experimentales

Empaquetamiento Efecto causado por…

Enriquecimiento

AG Mezclas astillas-aserrín

aire

AG aire +O2

Experimentación Desempeño del proceso Transferencia de calor entre fases, con el FE y enriquecimiento

Simulación, modelo 1D

6.2 Estabilidad del proceso de gasificación con astillas – aserrín Alta fluidización del aserrín

18 16

Porcentaje [%]

Tamaño caracteristico = 1.49 mm

12 10 8 6 4 2

0 2.36 2.00 1.40 1.18 0.85 0.60 0.50 0.43 0.36 0.30 0.25 0.18 0.15 0.11 Tamaño de particula [mm]

1.0

0.8

Fracción libre promedio

6. Estudios experimentales

14

0.6

0.4

0.2

0.0 0

2

4

6

8

Diametros de esfera medido desde la pared del reactor

Las principales causas de fluidización: distribución de tamaño del aserrín, bajo empaquetamiento en cercanías a la pared y flujo a través de la fracción libre

800

800

800

600

400 200 0 0

600 400

0

0

0

400 200

0

250 500 750 1000 1250

0

250 500 750 1000 1250

800

800

800

800

400

0

0

600 400

600 200

0

0 0

800

800

800

600

200

200

0

0

0

250 500 750 1000 1250 t (s)

0%

0

250 500 750 1000 1250

600

400 200

0

T ( C)

800

T ( C)

1000

T ( C)

1000

400

400

200 0

250 500 750 1000 1250 t (s)

t (s)

30%

250 500 750 1000 1250 t (s)

0 250 500 750 1000 1250 t (s)

1000

400

0

200

1000 600

250 500 750 1000 1250 t (s)

400

0

250 500 750 1000 1250 t (s)

600

0

600

400

200

250 500 750 1000 1250 t (s)

250 500 750 1000 1250 t (s)

T ( C)

1000

T ( C)

1000

T ( C)

1000

T ( C)

1000

600

0

t (s)

t (s)

200

0.06

600

400

200

t (s)

0.09

600 200

250 500 750 1000 1250

T ( C)

1000

800

T ( C)

1000

T ( C)

1000

T ( C)

1.2

1000

T ( C)

Velocidad superficial del agente gasificante [m/s]

6. Estudios experimentales

6.2 Estabilidad del proceso de gasificación con astillas – aserrín

70%

0

100%

Porcentaje de aserrin en la mezcla

No se recomienda el uso de mezclas con cantidades de aserrín superiores al 30% en masa

Los experimentos se plantean con 3 tamaños y geometrías diferentes.

Flujo de aire ≈ 40 slpm (para garantizar condiciones de gasificación)

6.3 Factor de empaquetamiento 0.48 Madera de Jacaranda Copaia CH1.769O0.617N0.026S0.001 LHV=18.21 MJ/kg

6. Estudios experimentales

0.59

Agroforestry waste

Representative sizes and shapes

Air flow 40 slpm Biomass PF=0.38 PF=0.48 PF=0.59

Biomass gasification

    

Different packing factors

Producer gas quality Temperatures Equivalence ratio Efficiency Flame front velocity

0.38

6.3 Factor de empaquetamiento

ρbulk

180

15 10 90 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 Packing factor [--]

Tmax av [ C]

20

1000

270 ρbulk [kg/m3]

Vff [mm/min]

6. Estudios experimentales

25

800

Astillas (0.38) | Hardness: 33.8

600 0.35

0.40 0.45 0.50 0.55 Packing factor [--]

0.60

Si FP varía de 0.38 a 0.59: Vff ▼ entre 25% y 40%. Tmax ▲ 22%. ▲PF→ ▼Qrad penetración bms → ▼Vff → ▲ER → ▲Temperatura Cilindros (0.48) | Hardness: 43.8

El proceso de gasificación se favorece cuando el FP aumenta. ▲PF → ▲Temp. → ▲ H2 & CO debido a ▲ER.

Cubos (0.59) | Hardness: 33.8

6.3 Factor de empaquetamiento

30

4 20 2

10 0.40 0.45 0.50 0.55 Packing factor [--]

0 0.60

40 CGE [%]

6

LHV [MJ/Nm3]

CGE [%]

6. Estudios experimentales

40

0 0.35

50

8

50

30 20 10 10

15 20 Vff [mm/min]

• El LHVgas y CGE aumentan si FP aumenta. Se debe a la mayor Temperatura alcanzada en el frente de reacción por mayor empaquetamiento de la biomasa – menor penetración de la radiación.

• CGE disminuye si Vff aumenta. Bajas CGE se relacionan con una mayor cantidad de biomasa involucrada en el proceso. Adicionalmente, a mayor Vff mayor producción de biocarbon (menor eficiencia de conversión de carbón).

25

6.4 Biocarbón (biochar - char) subproducto de la gasificación en lecho fijo

6. Estudios experimentales

Biomasa + aire  Biosyngas + Biocarbón + Qpérdidas

Análisis próximo Análisis último TGA SEM Área superficial Adsorción de colorante rojo 40 biocharinternational.org

Species Acacia mangium (Aca) Cupressus lusitánica (Clu) Eucalyptus (Euc) Gmelina arbórea (Gme) Pinus patula (Pat) Pinus Maximinoi (Psp) Tectona grandis (Tecg)

Area (ha) 11300 4278 46115 4972 38495 59811 6341

Mean Harvest time annual increment turn (years) (m3/ha/year) 28 4 23 10 25 7 23 7 20 13 20 13 18 7

6.4 Biocarbón (biochar - char) subproducto de la gasificación en lecho fijo Biomasa + aire  Biosyngas + Biocarbón + Qpérdidas

Análisis próximo Análisis último TGA SEM Área superficial Adsorción de colorante rojo 40

6. Estudios experimentales

Biosyngas

biocharinternational.org

Species Acacia mangium (Aca) Cupressus lusitánica (Clu) Eucalyptus (Euc) Gmelina arbórea (Gme) Pinus patula (Pat) Pinus Maximinoi (Psp) Tectona grandis (Tecg)

Area (ha) 11300 4278 46115 4972 38495 59811 6341

Mean Harvest time annual increment turn (years) (m3/ha/year) 28 4 23 10 25 7 23 7 20 13 20 13 18 7

GA

PM

PP

6.4 Biocarbón (biochar - char) subproducto de la gasificación en lecho fijo Biomasa + aire  Biosyngas + Biocarbón + Qpérdidas

6. Estudios experimentales

Parámetro

BC-PM

BC-PP

BC-EG

BC-AM

BC-GA

Análisis último en base seca y sin ceniza (%m) C

91.28

89.60

89.73

86.68

90.36

H

1.80

2.11

1.57

2.24

1.43

N

0.15

0.30

0.26

0.47

0.15

S

0.81

0.78

0.85

0.82

0.81

5.96 7.21 Análisis próximo en base húmeda(%m)

7.59

9.79

7.25

O

Cenizas

1.15

1.29

2.16

1.67

2.18

Humedad Carbono Fijo Material volátil PCSb.s. (MJ/kg)

2.00 84.01 12.84

1.33 87.87 9.51

1.78 84.71 11.35

1.79 73.32 23.23

1.78 84.45 11.59

33.425

33.067

32.426

31.962

32.513

Muestra

Área superficial BET (m2/g)

Diámetro promedio de poro (nm)

Volumen total de poro (cm3/g)

BC-AM

48.73

4.249

0.052

BC-GA

1.69

47.06

0.020

BC-EG BC-PP

30.10 299.3

5.313 2.604

0.040 0.195

BC-PM

52.81

3.748

0.049

6.4 Biocarbón (biochar - char) subproducto de la gasificación en lecho fijo Biomasa + aire  Biosyngas + Biocarbón + Qpérdidas

6. Estudios experimentales

Adsorción se seleccionó el colorante Rojo 40 Muestra

q (mg colorante adsorbido/g biocarbón) %R 50 mg de 50 mg de 100 mg de biocarbón biocarbón biocarbón 100 mg de biocarbón

BC-PM

25.24

14.29

25.31

28.66

BC-PP

40.28

25.06

40.38

50.25

BC-EG

20.98

13.74

21.03

27.54

BC-GA

11.51

11.23

11.54

22.52

BC-AM

14.48

10.12

14.52

20.29

Blanco

96.34

48.17

96.59

96.59

Muestra

Área superficial BET (m2/g)

Diámetro promedio de poro (nm)

Volumen total de poro (cm3/g)

BC-AM

48.73

4.249

0.052

BC-GA

1.69

47.06

0.020

BC-EG BC-PP

30.10 299.3

5.313 2.604

0.040 0.195

BC-PM

52.81

3.748

0.049

7.1 Modelado del proceso de gasificación

Modelo 0D – equilibrio termoquímico

7. Estudios teóricos

Aire

• Composición biomasa (AE) •Frg •Humedad •PCI_bms

Caja negra

Modelo 0–D

Balances de masa y energía, equilibrio térmico y químico

• Composición del gas • Poder calorífico • Temp. Final de reacción • Rendimiento del proceso • EFQ (Engine Fuel Quality)

7.1 Modelado del proceso de gasificación

Modelo 0D – equilibrio termoquímico

7. Estudios teóricos

Reacción global: balance atómico y de energía

CH mOp N q Sr  wH 2O  x(O2  3.76 N 2 )  aCO  bCO2  cH 2  dCH 4  eH 2O  fN 2  gO2  lSO2

Reacciones auxiliares: C  2H 2  CH 4 CO  H 2O  CO2  H 2

Balance de energía: H prod (Tk )  H react  Qin  Qout H j   ni h j

Ti

o f , 298

  ni  Cpi dT j

298

dnT  exp( (GT0,CH 4  2GT0, H 2 ) / RuT ) 2 c bc K2   exp( (GT0,H 2  GT0,CO2  GT0,CO  GT0 ,H 2O ) / RuT ) ae K1 

Ecuación de energía para iterar la temperatura Tk 1  Tk 

H react  Qin  Qout  H prod (Tk ) Cp prod (Tk )

7.1 Modelado del proceso de gasificación

7. Estudios teóricos

Modelo 0D – equilibrio termoquímico: Selección de materias primas

7.1 Modelado del proceso de gasificación

7. Estudios teóricos

Modelo 0D – equilibrio termoquímico: Selección de materias primas

Error LHVpg = 3.7% Error CGE = 6.6%

7.1 Modelado del proceso de gasificación

7. Estudios teóricos

Modelo 0D – equilibrio termoquímico: Selección de materias primas

7.1 Modelado del proceso de gasificación Modelo 0D – equilibrio termoquímico: Selección de materias primas 2200

0.83

EFQ (kJ/kg)

CGE (-)

2025

0.73 PP (2/19.15) PM (1.92/19.03) EG (1.81/19.08) GA (1.8/18.9) AM (1.78/18.76)

0.68 0.63

1850 PP (2/19.15) PM (1.92/19.03) EG (1.81/19.08) GA (1.8/18.9) AM (1.78/18.76)

1675

0.58

1500 1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

Frg 0.92

0.89

ExE (-)

7. Estudios teóricos

0.78

0.85 PP (2/19.15) PM (1.92 /19.03) EG (1.81/19.08) GA (1.8/18.9) AM (1.78/18.76)

0.82

0.78 1.8

2

2.2

PP > PM > GA > AM

2.4 Frg

2.6

2.8

3

1.8

2

2.2

2.4 Frg

2.6

2.8

3

AM > GA > PM > PP

7.1 Modelado del proceso de gasificación

Modelo 0D – equilibrio termoquímico: Efecto del Frg y humedad de la biomasa H2O (mol)

Tad (K)

0.5

7. Estudios teóricos

2000

H2O  H2

CO (%vol) 30

0

H2O 800

0 -0.5

PCIgp (kJ/kg)

Rendimiento (0 – 1)

EFQ (kJ/kg) 7000

0.9 2500

0.1 0 0

7.1 Modelado del proceso de gasificación

7. Estudios teóricos

Modelo 1D – Estacionario • Composición biomasa (AE) •Frg •Humedad •PCI_bms •Tamaño bms • mbms • maire • Geometría •Temp. pared • Mecanismo de reacciones qcas.

•Presión

Caja negra

Modelo 0–D

Balances de masa y energía, equilibrio térmico y químico Todas las variables se resuelven a través de la longitud del gasificador

Modelo Dimensional (1-D) Ecuaciones de conservación de masa y energía, cinética química.

• Composición del gas • Poder calorífico • Temp. Final de reacción • Rendimiento del proceso • EFQ (Engine Fuel Quality) • Ts, Tg •Secado, pirólisis, oxidación, reducción, etc.

• Composición. g.p • Transf. de calor • Presión •Tamaño de partícula •Otros.

7.1 Modelado del proceso de gasificación

Modelo 1D – Estacionario dz

7. Estudios teóricos

dq dH k d  dT   A( z )  Qsg  A( z )  Qkw  A( z ) rad   kk   Ak  ji rj hi dz dz  dz  dz j ,i

dni  Ak  ji rj dz j

z

Calor Radiación conducción

Flujo másico sólido

Flujo másico gas

Calor convección

FASE SÓLIDA Calor convección radiación

Calor Radiación conducción

FASE GASEOSA

Flujo másico

Flujo másico sólido

Calor convección radiación

Flujo másico gas

7.1 Modelado del proceso de gasificación

12-19

+3 6-12

C*

55.49

Volátiles*

70.17

H*

5.56

Carbón fijo*

28.88

O*

37.73

Ceniza*

0.95

N*

0.17

LHV [kJ/kg]

19997

S*

0.09

Humedad

<6 6

12

18

Superficies respuesta. z = f(x,y)

Ecuaciones empíricas

Temperature [ºC]

Flujo aire [l/min]

* [%] en base seca.

10.9 %

700

9

600

8

500

7

400 6 300 5

200 100

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

0

4 3

0

1000

2000 time [s]

3000

4000

Air flow [l/min]

Diseño Factorial Aleatorizado 32 Bms [mm]

7. Estudios teóricos

Modelo 1D – Estacionario: efecto de la VSaire y tamaño de partícula

7.1 Modelado del proceso de gasificación

7. Estudios teóricos

Modelo 1D – Estacionario: efecto de la VSaire y tamaño de partícula

7.1 Modelado del proceso de gasificación Modelo 1D – Estacionario: efecto de la VSaire y tamaño de partícula

H2Ov

1.5

750 500

H2

1

250 CO tars

0.16

Otros resultados del modelo

0

CH4

0.20 z (m)

0.24

Tg

3

1250

Biomasa 2.5 2

1000 Ts

Oxígeno

750

1.5

500

1

250

Char

Agua

0.5 0 0.12

-250 0.28

1500

0

tars 0.13

0.14 z (m)

-250 0.16

0.15

15

30

5000

240

Radiación Gas-pared x 6

9

4000

Conducción gas Sólido-pared

3

-3

2000

Tg

170

20 3000

Sólido-gas

Tg

25

T (K)

0.5

Char

Piro-combustión

100

15

Presión

10

30 -40

Diámetro

Mecanismo de mantenimiento auto-térmico del proceso -9 1000 5 partícula de gasificación de -110 Ts biomasa en lecho fijo0 -180 -15 0.12

0.13

0.14

0.15 z (m)

0.16

0.17

0 0.18

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 z (m)

Presión relativa (Pa) T (K) x 10

CO2

T (K)

1000

2

0 0.12

Flujo molar (mol/s) x 1e-3

1250

2.5

Secado

3.5

dp (mm)

Ts

Flujos de energía (kW/m)

flujo molar (mol/s) x 1e-3

7. Estudios teóricos

3

1500 Tg

T (K)

3.5

7.1 Modelado del proceso de gasificación

7. Estudios teóricos

Modelo 2D CFD – Transitorio

∂ ερ ∂ε Solid phase energy conservation ∂

∂ ερp Cp Ts = ∇ k s,eff · ∇Ts ∂t Solid fraction ω′′′ ∂ε char =− ε ρp ∂t Moisture density ∂ ερm = −ω′′′ mois ε ∂t

∂

+ Ss

ω′′′ − ρ

∇

∇

ε

∂ ερm = −ω′′′ mois ε ∂t Dry wood density ∂ ερw = −ω′′′ wood ε ∂t Char density ∂ ερc ′′′ = ω′′′ g,char − ωc,char ε ∂t

1000

1000

800

800

Temperatura [ºC]

Modelo 2D CFD – Transitorio

Temperatura [ºC]

7.1 Modelado del proceso de gasificación

600 400 200

600 400 200

0

0 0

200

400

600

800

0

1000

200

400

800 1000 1200

b) PF=0.38 -mod

1000

1200

800

1000

Temperatura [ºC]

Temperatura [ºC]

a) PF=0.38 - exp

600 400 200

800 600 400

200 0

0

0

500

1000

0

1500

500

1000

1500

Tiempo [s]

Tiempo [s]

d) PF=0.48 - mod

c) PF=0.48 - exp 1200

1200

1000

Temperatura [ºC]

Temperatura [ºC]

7. Estudios teóricos

600

Tiempo [s]

Tiempo [s]

800 600 400 200

1000 800

600 400 200 0

0 0

500

1000

Tiempo [s]

e) PF=0.59 - exp

1500

0

500

1000

Tiempo [s]

f) PF=0.59 - mod

1500

Modelo 2D CFD – Transitorio 100 mbms,mod

Vgas,exp

Vgas,mod

Vff,exp

Vff,mod

0,5xmbms [kg/h/m2] - 500xVgas [m3/s/m2] Vff [mm/min]

7. Estudios teóricos

80 70 60

CO2-PF=0.38

CH4-PF=0.38

H2-PF=0.38

CO-PF=0.48

CO2-PF=0.48

CH4-PF=0.48

H2-PF=0.48

CO-PF=0.59

CO2-PF=0.59

CH4-PF=0.59

H2-PF=0.59

25

Syngas composition, mod [%vol]

90

mbms,exp

CO-PF=0.38

20

15 2

10

1

5

0 0

50

1

100xER [--] - 10xLHVgas [MJ/Nm3] 0,5xCGE [%]

7.1 Modelado del proceso de gasificación

ER,exp LHVgas,exp CGE,exp Tmax,exp

ER, mod LHVgas, mod CGE, mod Tmax, mod

1200

50

1000

40

800

30

600

20

400

10

200

Tmax [ºC]

60

2

0 0

40

5 10 15 20 Syngas composition, exp [%vol]

25

0 0.35

0.40

0.45 0.50 PF [--]

0.55

0 0.60

30 20 10 0 0.35

0.40

0.45 0.50 PF [--]

0.55

0.60

▲ Absorción de Rad,solid con el ▲ PF.

8.1 Gasificación en TLUD de diferentes leñas usada para cocción

8. Trabajos actuales

Sahagún Ciénaga de Oro Rionegro Sibundoy

Caracterización termodinámica detallada del proceso de gasificación de astillas de madera: *Irreversibilidades (análisis exergético) *Caracterización del bichar como abono orgánico en el contexto domiciliario.

8.2 Biomasa residual: Pellets + gasificaci贸n en TLUD + CFD

Biomasa

8. Trabajos actuales

bestpelletplant.com

Secado Pir贸lisis Oxidaci贸n

Reducci贸n

8.3 Estufa de cocción basada en micro-gasificación TLUD

8. Trabajos actuales

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

Balanza digital Caudalímetro portátil Computador Tarjeta de adquisición de datos Termocuplas tipo K Analizador de gases

(b)

(b) Q2

Q3 (c) (d)

T1

CH 4

CO

H2

T2

O2

N2

CO 2

T3 T4

(e)

(b)

0.000 kg Global alliance for clean cookstoves

Q1

(a)

(f)

Referencias: • •

5. Bibliografía

• • • • • • • •

Díez H.E., Pérez J.F. Physicochemical characterization of representative firewood species used for cooking in some Colombian regions. International Journal of Chemical Engineering. 2017:1-13, 2017 Lenis Y., Melgar A., Pérez J.F. Fixed bed gasification of Jacaranda Copaia wood: Effect of packing factor and oxygen enriched air. Industrial crops and products. 84:166-175, 2016 Pérez J.F., Melgar A., Horrillo, A. Thermodynamic methodology to support the selection of feedstocks for decentralised downdraft gasification power plants. International Journal of Sustainable Energy. 36: 10101028, 2017 Lenis, Y., Pérez J.F. Gasification of sawdust and wood chips in a fixed bed under autothermal and stable conditions. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 36 (23): 2555-2565, 2014 Pérez J.F., Melgar A., Tinaut F.V. Modeling of fixed bed downdraft biomass gasification: Application on lab-scale and industrial reactors. International Journal of Energy Research, 38: 319-338, 2014 Melgar A., Pérez J.F., Laget H., Horrillo A. Thermo-chemical equilibrium modelling of a gasifying process.

Energy Conversion and Management. 48: 59-67, 2007 Pérez J.F. Gasificación de biomasa. Estudios teórico - experimentales en lecho fijo equicorriente.

Editorial Universidad de Antioquia - Colección ciencia y tecnología. Medellín-Colombia, 2009 Pérez J.F., Osorio L.F. Biomasa forestal plantada como alternativa energética: Bases para el análisis silvicultural, energético y financiero de proyectos bioenergéticos. Editorial Universidad de Antioquia Colección investigación. Medellín-Colombia, 2014 Keily De la Hoz. Diseño de una instalación experimental para caracterización de una estufa de cocción basada en micro-gasificación. Tesis de pregrado, Universidad de Antioquia. 2017 William González. Simulación numérica de la transformación termoquímica de la biomasa en lecho fijo.

Estudio bajo condiciones de gasificación. Tesis de pregrado, Universidad de Antioquia. 2016

Agradecimientos:

6. Agradecimientos

Mi programa de investigación ha sido financiado/apoyado por: • Becas Programa ALBAN de alto nivel para la Unión Europea. 20042007.

• Universidad de Valladolid, España.

• Centro de Investigación CIDAUT, España.

• Empresas Públicas de Medellín (EPM).

• Centro de investigación e innovación en energía – CIIEN. • Celsia – Grupo ARGOS, Colombia.

• Convocatoria programática CODI 2014-2015 de la Universidad de Antioquia.

• Beca Posdoctoral Erasmus Mundus Eurica - 2014-2015.

• Proyecto de sostenibilidad de grupos de investigación, financiado por la Universidad de Antioquia 2012-2016.

¡Gracias por su atención!

Juan F. Pérez-Bayer

e-mail: juanpb@udea.edu.co Phone: (+57-4) 219 8552 - 5550 Mobile: (+57) 302 2871691

GASIFICACIÓN DE BIOMASA: Estudios experimentales y teóricos en lecho fijo

Juan Fernando Pérez Bayer

Grupo de manejo eficiente de la energía - GIMEL, Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia.

Seminario Internacional Transformación de la Biomasa Forestal en Energía. Cartago, Costa Rica, 2017